面向人工林經(jīng)營的模型庫和方法庫服務(wù)平臺*

陳 棟 吳保國 王姍姍 蘇曉慧 陳玉玲 李宜瑾

(1. 北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 北京100083； 2. 國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心 北京100097； 3. 中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院 北京100048)

近年來，人們對造林、撫育間伐、更新等階段的人工林經(jīng)營模型研究逐步深入，模型規(guī)整、推廣和應(yīng)用的方式方法也備受關(guān)注，隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，面向人工林經(jīng)營的決策支持系統(tǒng)成為了模型應(yīng)用的有力渠道。決策支持系統(tǒng)(decision support system，簡稱DSS)概念自提出以來，其基本結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化： 早期的決策支持系統(tǒng)是由模型庫、數(shù)據(jù)庫和人機交互界面3個部件構(gòu)成的兩庫結(jié)構(gòu)； 隨著研究的深入，將算法從模型庫中獨立出來構(gòu)成方法庫，擴展成三庫結(jié)構(gòu)； 在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們又引入知識庫，形成四庫結(jié)構(gòu)。這種四庫結(jié)構(gòu)一直沿用至今，其中模型庫和方法庫是存儲決策支持系統(tǒng)決策所需各種模型和決策方法的數(shù)據(jù)庫。林業(yè)行業(yè)20世紀80年代末期開始了決策支持系統(tǒng)的探索(宋鐵英， 1990； 李際平， 1991； 1994)，進入21世紀，林業(yè)決策支持系統(tǒng)的相關(guān)研究如雨后春筍般涌現(xiàn)，國內(nèi)外研究者相繼構(gòu)建了針對某一應(yīng)用場景下的林業(yè)決策系統(tǒng)原型(吳保國等， 2006； 2009a； 2009b； 楊英奎， 2015； 沈立輝， 2015； 謝黎等， 2008； 謝小魁等， 2011； 李勇等， 2003； 李大偉等， 2010； 王琳等， 2006； 薛晶， 2008； 石磊等， 2007； 肖勁鋒等， 2001； Wangetal.， 2008)，目前決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴展到林業(yè)各個領(lǐng)域。由于森林經(jīng)營決策領(lǐng)域的模型眾多，且對統(tǒng)計學(xué)方法依賴性較強，因此模型庫和方法庫對森林經(jīng)營決策支持系統(tǒng)的作用顯得尤為重要。Ren等(2014)構(gòu)建南方人工林模型系統(tǒng)，存儲了經(jīng)營、效益等模型； 李勇等(2003)研究了一類DSS方法庫的可重用體系結(jié)構(gòu)； 李大偉等(2010)對決策支持系統(tǒng)的模型庫和方法庫進行了概要設(shè)計。隨著計算機技術(shù)不斷發(fā)展，基于Web Service以及SOA架構(gòu)的B/S模型庫系統(tǒng)相繼出現(xiàn)(Richardsonetal.， 2006； 陳砣等， 2009； Ayedetal.， 2016； Rauscheretal.， 2000； Soufietal.， 2018； Zhuetal.， 2007； Newton， 2015； 鄭廣成， 2011)，大大提升了模型庫系統(tǒng)的管理水平。森林經(jīng)營領(lǐng)域，王琳等(2016)從樹木生長模型分類入手，對模型的構(gòu)建、存儲、管理等流程進行了研究； 吳保國等(2009a； 2009b)為實現(xiàn)森林培育專家決策，構(gòu)建了適用于單一樹種的模型庫。綜上可見，現(xiàn)有森林經(jīng)營決策系統(tǒng)中模型庫的設(shè)計只考慮了數(shù)學(xué)公式型模型，沒有涉及程序型模型(如基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模型)，且往往針對的是某一樹種或特定決策過程，缺乏通用性； 而且，在森林經(jīng)營決策系統(tǒng)中應(yīng)用的方法多以嵌入程序的形式存在，大大增加了方法管理的復(fù)雜度； 此外，在模型與方法的統(tǒng)一管理、依托方法庫的模型更新以及基于Web技術(shù)的面向大眾和應(yīng)用的模型與方法服務(wù)等方面鮮見研究報道。

針對以上現(xiàn)狀，本研究在分析人工林經(jīng)營模型結(jié)構(gòu)和構(gòu)建方法的基礎(chǔ)上，為降低模型和方法存儲與管理的復(fù)雜度，增強模型存儲的通用性和方法管理的便捷性，結(jié)合森林經(jīng)營模型和方法的特征，利用面向服務(wù)和數(shù)據(jù)耦合思想，將模型庫和方法庫與決策系統(tǒng)解耦，分別設(shè)計模型庫和方法庫關(guān)系模式，構(gòu)建面向服務(wù)的模型庫和方法庫平臺系統(tǒng)原型，以期為人工林經(jīng)營過程提供模型和方法的計算、調(diào)用和共享服務(wù)。

1 人工林經(jīng)營模型庫研究

1.1 人工林經(jīng)營模型分類

模型是人類認識自然、改造自然的強有力工具，幾乎所有領(lǐng)域都在不約而同地應(yīng)用模型來解決其領(lǐng)域問題。人工林經(jīng)營領(lǐng)域積累了大量數(shù)學(xué)模型，涵蓋造林、撫育、間伐、經(jīng)營優(yōu)化、更新等經(jīng)營階段，主要包括立地質(zhì)量評價模型、生長收獲模型、形態(tài)生長模型、效益評價模型等數(shù)學(xué)方程式模型，以及利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建的程序塊模型，如表1所示。

1.2 人工林經(jīng)營模型表達方式和存儲模式

為解決模型庫的通用性問題，本研究針對不同模型形式的存儲和解析展開探索，設(shè)計適用于不同樹種的數(shù)學(xué)方程型和程序塊型的存儲關(guān)系模式。為了方便存儲、管理和調(diào)用人工林經(jīng)營模型，采用“數(shù)據(jù)表示法”和“程序表示法”分別表示數(shù)學(xué)方程型和程序塊型模型。

數(shù)據(jù)表示法將數(shù)學(xué)公式以字符串形式存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，如內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)地位指數(shù)模型的表達方程(韓焱云， 2015)：SI=Ht×{0.81÷[1-exp (-0.056t)]}1.36，在模型表“模型代數(shù)表達式”字段中存儲的公式字符串為“HT*(0.81/[1-EXP(-0.056*T)])^1.36”，解析公式時首先需要通過詞法分析識別字符串中的運算符，然后通過語義分析驗證公式的語義正確性，驗證通過后利用逆波蘭式對公式進行計算。

表1 人工林經(jīng)營決策支持模型分類Tab.1 The decision support model classification of artificial forest management

程序表示法將模型與計算機程序融為一體，每個模型對應(yīng)一套完整程序，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的林分蓄積量模型等，模型實現(xiàn)基本使用統(tǒng)計程序語言進行編寫，將模型整理為程序包文件，在模型表的“模型程序包存放地址”字段中存儲程序包文件的路徑，解析公式時通過路徑獲取程序包文件，經(jīng)解析后得到模型結(jié)果。

針對以上2種模型表示方式，結(jié)合人工林經(jīng)營模型特征，構(gòu)建模型庫關(guān)系模式(王珊等， 2006)，并使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(本研究使用SQL Server2008數(shù)據(jù)庫)存儲2種方式表示的模型。關(guān)系模式如下：

模型表(模型編號、模型名稱、模型分類、模型形式、樹種名、適用地區(qū)、模型描述、模型代數(shù)表達式、模型程序包存放地址、模型變量名列表、模型作者姓名、所屬國家、作者電子郵件、最后更新時間，備注)；

模型調(diào)用記錄表(模型編號、調(diào)用日期、調(diào)用用戶編號、模型輸出結(jié)果、備注)。

模型表用于對模型全方位表述，其中，模型分類： 模型分類的名稱(按表1中模型分類名稱進行分類)； 模型形式： 包括“數(shù)據(jù)表示”和“程序表示”2種； 模型代數(shù)表達式： 若模型形式為“數(shù)據(jù)表示”，則填寫模型由數(shù)學(xué)方程式公式改寫的公式字符串表達式，否則為空； 模型程序包存放地址： 如果模型形式為“程序表示”，則存儲模型程序包存放的相對路徑，否則為空； 樹種名： 代表此模型適用于具體哪種樹種； 模型變量名列表： 模型中的變量英文字符，用逗號分隔； 備注： 說明模型適合條件。

模型調(diào)用記錄表用于記錄模型的使用記錄，以方便對模型使用進行分析。表中調(diào)用用戶編號為模型調(diào)用中系統(tǒng)用戶編號，模型輸出結(jié)果記錄每次調(diào)用模型產(chǎn)生的結(jié)果。

表2所示為部分人工林經(jīng)營所需要的模型具體存儲示例，系統(tǒng)管理員可以根據(jù)需要修改、增加、刪除模型。

表2 模型表中的存儲示例Tab.2 Sample storage in a model table

1.3 模型解析方法

針對數(shù)據(jù)表示和程序表示2種模型，前者通過規(guī)定模型表達式的基本語法規(guī)則，使用詞法分析、語法分析、語義分析和表達式計算實現(xiàn)解析過程； 后者使用R語言對模型進行實現(xiàn)，通過Rsession調(diào)用R程序包實現(xiàn)模型計算。設(shè)計模型解析流程如圖1所示。在解析流程中，首先根據(jù)傳入的模型ID去模型庫中查詢具體模型，然后調(diào)出模型信息，判斷模型是數(shù)據(jù)表示模型還是程序表示模型，若為數(shù)據(jù)表示模型，則進入程序數(shù)據(jù)解析流程，反之進行程序模型解析流程。

1.3.1 “數(shù)據(jù)表示”模型解析 1) 詞法分析 詞法分析是讀取字符串形式的模型表達式，并將其分成一個個獨立的詞法單元token，如數(shù)字、操作符或函數(shù)等，構(gòu)成單詞符號序列token流。以內(nèi)蒙古赤峰市華北落葉松在立地質(zhì)量為優(yōu)時平均高模型表達方程20.597×[1-exp (-0.055t)]1.344為例(韓焱云， 2015)，模型解析的詞法分析過程如圖2所示。

圖1 模型解析流程Fig.1 Model analytic flow diagram

圖2 模型表達式詞法分析過程Fig.2 The lexical analysis process of model formula

2) 語法分析 語法分析是對詞法分析獲得的token流進行識別并判斷其是否存在語法錯誤，如操作數(shù)個數(shù)是否符合、左右括號是否匹配等。本研究采用上下文無關(guān)(context free grammar，CFG)文法對其進行語法分析。

以華北落葉松在立地質(zhì)量為優(yōu)時平均高模型表達方程20.597*[1-exp(-0.055*t)]^1.344 為例，該模型的文法G1包含以下產(chǎn)生式：

G1： E->E-E|E*E|exp(E)|E^E|(E)|i

基于G1文法，采用最左推導(dǎo)，可以推導(dǎo)出i*((i-exp(i*i))^i)，推導(dǎo)過程如下：

E->E*E->E*(E)->E*(E^E)->E*(E^i)—>E*((E)^i)->E*((E-E)^i)->E*((E-exp(E))^i)->E*((E-exp(E*E))^i)->E*((E-exp(E*i))^i)->E*((E-exp(i*i))^i)->E*((i-exp(i*i))^i)->i*((i-exp(i*i))^i)

E代表算數(shù)表達式，i為數(shù)字或變量標識符。

語法分析樹如圖3所示。語法樹根節(jié)點為開始符E，葉節(jié)點為終結(jié)點。通過自頂向下的語法分析算法對語法樹進行遍歷，并最終判斷語法的正確性，從而檢驗方程式表達式的正確性。

圖3 語法分析樹Fig.3 Parse tree

3) 語義分析與模型計算 語義分析是在語法分析基礎(chǔ)上進一步對模型表達式的運算對象進行邏輯檢查，如除數(shù)不能為0等； 同時利用逆波蘭式進行模型表達式計算。通過構(gòu)建存儲器和符號棧，存儲數(shù)據(jù)和操作符。存儲器從左向右存儲數(shù)據(jù)，而符號棧遵循先進后出的原則，從左向右掃描模型表達式生成逆波蘭式，從而計算逆波蘭表達式，完成模型計算。

4) 模型解析核心流程實現(xiàn) 基于以上研究，數(shù)據(jù)表示模型解析核心流程實現(xiàn)包括詞法分析、語法分析和模型計算。具體實現(xiàn)如下：

①詞法分析函數(shù)： LexicalAnalysis(String modelstring)，輸入的是模型公式字符串，返回的是單詞符號序列Map；

②語法分析函數(shù)： GrammaAnalysis(Map tokenmap)，輸入的是單詞符號序列Map，返回的是Boolean值(公式是否有語法錯誤，沒有返回true，有返回false)；

③ 步驟①、②是對模型公式正確性進行校驗，如返回true，則使用Java的ExpressionEvaluator類的eval方法對模型公式進行計算； 如返回false，則提示錯誤信息。

1.3.2 “程序表示”模型解析 程序包式模型類似于黑盒模式，直接輸入模型參數(shù)值，調(diào)用程序輸出結(jié)果即可完成模型計算。本研究將此類模型封裝在R語言程序包(王斌會， 2014)中，使用Rserver的Rsession對象調(diào)用封裝好的程序包。程序表示模型解析核心流程實現(xiàn)如下：

① 從模型表的模型讀取程序包存放地址字段，通過RserverConf對象連接Rserver服務(wù)器，獲取存儲在Rserver服務(wù)器上的模型程序包。

② 使用Rsession對象解析模型程序包，將參數(shù)代入。

③ 使用Rsession對象中的eval方法計算模型結(jié)果返回。

2 人工林經(jīng)營方法庫研究

2.1 方法庫中的方法組成

方法是指在自然科學(xué)領(lǐng)域中所采用的基本算法和過程，如圖4所示，包括基本數(shù)學(xué)方法、統(tǒng)計學(xué)習(xí)方法、優(yōu)化方法和預(yù)測方法等。目前常用的做法是將方法嵌入業(yè)務(wù)程序中，但該做法會增加方法維護管理的復(fù)雜度。為了將方法代碼和業(yè)務(wù)代碼解耦，引入Rserver和Rsession將方法代碼用R語言實現(xiàn)并封裝。

2.2 方法庫設(shè)計

為了方便對方法庫的方法進行管理和調(diào)用，決策支持系統(tǒng)中的方法庫由方法程序庫和方法描述表組成。方法程序庫以文件形式存儲方法程序塊，方法描述表存儲方法描述信息，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的關(guān)系存儲。

2.2.1 基于R語言的方法程序庫設(shè)計 統(tǒng)計學(xué)習(xí)方法是人工林經(jīng)營模型生成和更新的常用方法，本研究以林業(yè)常用回歸方法為例，采用R語言依次對方法進行程序包開發(fā)，并將方法程序以R執(zhí)行文件形式保存。每種方法生成一個R語言程序包，存儲在對應(yīng)的文件夾下，具體如表3所示。

2.2.2 方法描述表設(shè)計 為了方便對方法庫的方法進行管理和調(diào)用，方法描述表中需要存儲方法的描述信息和方法程序包的調(diào)用地址。另外，為了記錄方法庫的使用情況，需設(shè)置一種方法調(diào)用記錄表。具體表的關(guān)系模式如下：

方法描述表(方法編號、方法名、方法說明、參數(shù)組成、輸出值類型、是否方法組合、組合方式、組合編號、組合方法執(zhí)行順序號、程序包路徑、備注)；

方法調(diào)用記錄表(方法編號、調(diào)用日期、方法輸入數(shù)據(jù)、方法輸出結(jié)果、備注)。

在方法描述表中，程序包路徑字段存放R語言程序包的路徑，方法被調(diào)用時，系統(tǒng)會根據(jù)該路徑去獲取方法程序包運行。

圖4 方法庫中的方法模塊Fig.4 Method module diagram in method library

表3 基于R語言的方法程序①Tab.3 A list of methods programs based on the R language

續(xù)表3 Continued

① “—”表示此內(nèi)容本研究暫未涉及。“—”indicates that this study is not yet relevant.

2.3 方法解析流程

方法庫中各方法使用R語言程序進行封裝，通過Rserver服務(wù)器進行發(fā)布，并將方法的描述存入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，調(diào)用通過Rsession完成，如圖5所示。

方法解析流程是查找方法運行計算結(jié)果的過程。首先根據(jù)傳入的方法ID去方法庫中查詢具體方法，然后調(diào)出方法信息，提出方法程序包，將實參輸入，使用Rsession調(diào)用并執(zhí)行程序包文件，計算出結(jié)果后將結(jié)果轉(zhuǎn)化為標準數(shù)據(jù)傳輸格式輸出。具體的方法解析流程如圖6所示。

圖5 方法庫調(diào)用示意Fig.5 Method call diagrammatic sketch

圖6 方法解析流程Fig.6 Method call flow diagram

3 模型與方法庫平臺服務(wù)模式

3.1 面向服務(wù)的模型與方法庫平臺結(jié)構(gòu)

圖7 模型與方法庫平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 The model library and method library management system structure

為了滿足模型與方法的統(tǒng)一管理，并實現(xiàn)面向大眾和應(yīng)用的模型與方法服務(wù)，設(shè)計模型與方法庫平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如圖7所示，模型庫與方法庫系統(tǒng)分別提供了基于API調(diào)用的接口服務(wù)和用戶使用界面，前者為人工林經(jīng)營決策支持系統(tǒng)提供模型管理、計算與方法管理、運算服務(wù)， 后者為系統(tǒng)使用者提供模型查詢計算與方法查詢計算功能。另外，模型庫和方法庫管理系統(tǒng)之間設(shè)計中間件，實現(xiàn)對模型庫的更新。

模型與方法庫平臺系統(tǒng)原型的研建使用Java EE、Spring MVC、Hibernate、Jquery與Bootstrap等技術(shù)開發(fā)實現(xiàn)，模型與方法的調(diào)用使用基于HTTP協(xié)議構(gòu)建的API。系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig.8 Technical architecture of subsystem

3.2 面向服務(wù)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互結(jié)構(gòu)設(shè)計

模型與方法庫平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用獨立的2種方式(API和界面)調(diào)用模型與方法，無論是以API方式還是以界面方式調(diào)用模型與方法，都需要提供查詢和計算功能。實現(xiàn)這2種方式，必須有良好的數(shù)據(jù)交互結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計面向服務(wù)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)模型與方法服務(wù)模型的基礎(chǔ)。本研究在模型與方法基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用符號化表達法以及標準數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，設(shè)計模型調(diào)用和方法調(diào)用過程中的數(shù)據(jù)傳輸格式。

1) 模型調(diào)用過程中數(shù)據(jù)傳輸格式 調(diào)用模型庫中的模型時，數(shù)據(jù)傳輸格式采用符號化方法對模型進行表達，格式如下：

ForestryModel=(ModelDic，ModelDes，ModelResult，Time)。

式中：ModelDic是模型基本描述信息； ModelDes是模型具體信息； ModelResult是模型計算結(jié)果； Time是模型調(diào)用時間。

ModelDic=(ModelId，ModelName，ModelClassName，ModelForm，ModelTreeName，ModelArea，ModelExplain，ModelAuthors，Country，Email，Remark)。

式中：ModelId∈Integer是系統(tǒng)內(nèi)部定義的模型編號；ModelName∈String是模型名稱；ModelClassName∈String是模型類別名稱；ModelForm∈String是模型形式(數(shù)據(jù)表示、程序表示)；ModelTreeName∈String是模型適合的樹種名稱；ModelArea∈String是模型適合的地區(qū)名稱；ModelExplain∈String是對模型的解釋說明；ModelAuthors∈String是模型作者；Country∈String是模型作者所在國家；Email∈String是作者郵件地址；Remark∈String是模型表述的備注信息。

ModelDes=(ModelId，ModelAlgebraicExpression，ModelParams，Remark)。

式中：ModelId∈Integer是系統(tǒng)內(nèi)部定義的模型編號；ModelAlgebraicExpression∈String是模型的代數(shù)表達式(如果模型使用的是程序包，則填“無”，并在Remark中填入“程序包”)；ModelParams∈String是模型的自變量參數(shù)列表；Remark∈String是模型表述的備注信息。

ModelResult∈String，是模型調(diào)用后的結(jié)果。

Time∈Date，是模型調(diào)用時的時間戳。

基于以上分析，使用輕量級數(shù)據(jù)交換格式JSON(JavaScript Object Notation)作為數(shù)據(jù)傳輸格式。定義模型調(diào)用的數(shù)據(jù)傳輸格式如下：

{"ForestryModel":

"ModelDic":{ ∥模型基本描述信息

"ModelId":"XXX", ∥模型編號

"ModelName":"XXX", ∥模型名稱

"ModelClassName":"XXX", ∥模型類別名稱

"ModelTreeName":"XXX", ∥模型適用樹種名稱

"ModelArea":"XXX", ∥模型使用地區(qū)名稱

"ModelExplain":"XXX", ∥模型解釋說明

"ModelAuthors":"XXX”, ∥模型作者

"Country":"XXX", ∥作者所在國家

"Email":"XXX", ∥作者Email

"Remark":"XXX" ∥模型備注信息

},

"ModelDes":{ ∥模型具體信息

"ModelId":"XXX", ∥模型編號

"ModelAlgebraicExpression": "XXX", ∥模型代數(shù)表達式

"ModelParams":"XXX", ∥模型自變量參數(shù)列表

"Remark":"XXX" ∥模型具體信息備注

},

"ModelResult":"XXX", ∥模型計算結(jié)果

"Time":"XXX" ∥模型調(diào)用時間戳

}

2) 方法調(diào)用過程中數(shù)據(jù)傳輸格式 調(diào)用方法庫中的方法時，數(shù)據(jù)傳輸格式采用采用符號化方法對方法進行表達，格式如下：

ForestryAlgorithm=(AlgorithmDic，AlgorithmDes，AlgorithmResult，Time)。

式中：AlgorithmDic是方法基本描述信息； AlgorithmDes是方法具體信息； AlgorithmResult是方法計算結(jié)果； Time是方法調(diào)用時間。

AlgorithmDic=(AlgorithmId，AlgorithmName，AlgorithmExplain，AlgorithmParams，AlgorithmOutputType，IsGroup，GroupType，Remark)。

式中：AlgorithmId∈Int是系統(tǒng)內(nèi)部定義的方法編號；AlgorithmName∈String是方法名稱；AlgorithmExplain∈String是對方法的解釋說明；AlgorithmParams∈String是方法輸入?yún)?shù)列表；AlgorithmOutputType∈String是方法輸出結(jié)果說明(數(shù)值型/代數(shù)表達式型)；IsGroup∈String說明方法是以組合形式運行還以單個方法運行；GroupType∈String代表方法的組合方式[串聯(lián)： N1，N2…Nn/并聯(lián)： N1，N2…Nn/(Ni代表方法編號)];Remark∈String是方法表述的備注信息。

AlgorithmDes=(AlgorithmId，Remark)。

式中：AlgorithmId∈Int是系統(tǒng)內(nèi)部定義的方法編號；Remark∈String是方法表述的備注信息。

AlgorithmResult∈String，是方法調(diào)用后的結(jié)果。

Time∈Date，是方法調(diào)用時的時間戳。

方法庫調(diào)用的數(shù)據(jù)傳輸格式參照模型調(diào)用的數(shù)據(jù)傳輸格式生成，具體如下：

{"ForestryAlgorithm":

"AlgorithmDic":{ ∥方法基本描述信息

"AlgorithmId":"XXX", ∥方法編號

"AlgorithmName":"XXX", ∥方法名稱

"AlgorithmExplain":"XXX", ∥方法解釋說明

"AlgorithmParams":"XXX", ∥方法參數(shù)說明

"AlgorithmOutputType":"XXX", ∥方法輸出結(jié)果說明

"IsGroup":"XXX", ∥是否為組合方法

"GroupType":"XXX" ∥組合方式

"Remark":"XXX" ∥方法備注信息

},

"AlgorithmDes":{ ∥方法具體信息

"AlgorithmId":"XXX", ∥方法編號

"AlgorithmURL":"XXX", ∥方法程序包存放地址

"Remark":"XXX" ∥方法具體備注信息

},

"AlgorithmResult":"XXX", ∥方法運算結(jié)果

"Time":"XXX" ∥方法調(diào)用時間戳

}

當模型和方法庫平臺與其他應(yīng)用系統(tǒng)或平臺界面進行數(shù)據(jù)交互時，使用以上定義好的數(shù)據(jù)交互格式可以提高調(diào)用的規(guī)范化和便捷性。

4 系統(tǒng)運行實例

平臺使用SQLServer2008數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)模型(圖9)與方法(圖10)的存儲，目前存儲了廣西、福建等在內(nèi)的人工林胸徑、斷面積、樹高、蓄積、地位指數(shù)、林分密度指數(shù)等生長收獲模型以及各種線性與非線性擬合方法等。平臺可提供API調(diào)用和友好的用戶使用界面功能2種服務(wù)方式： API接口是為人工林經(jīng)營輔助決策等業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供模型、方法調(diào)用服務(wù)的，業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過HTTP請求的方式，用GET或POST方法向平臺發(fā)送請求，平臺計算出結(jié)果后將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互結(jié)構(gòu)返回給業(yè)務(wù)系統(tǒng)； 友好的用戶使用界面為用戶提供模型、方法基本信息的查詢、調(diào)用說明以及模型計算等功能。本研究以福建某國有林場人工林林分收獲模擬過程為應(yīng)用場景，說明模型的計算調(diào)用運行過程； 以地位指數(shù)方程的擬合構(gòu)建為例，說明非線性擬合方法的計算調(diào)用運行過程。

4.1 模型庫調(diào)用實例

以福建杉木(Cunninghamialanceolata)全林分平均胸徑模型調(diào)用計算為例，分別通過API和頁面2種調(diào)用方式給出模型庫調(diào)用實例。

1) API調(diào)用 調(diào)用福建杉木全林分平均胸徑模型，地位指數(shù)為18，林分密度為2 000株·hm-2，預(yù)估10、15、20、25、30林齡的林分平均胸徑，模型調(diào)用說明如表4所示，整理計算機結(jié)果如表5所示。

圖9 模型表存儲實例Fig.9 Model table storage

表4 模型API調(diào)用說明Tab.4 Model API call description

表5 杉木人工林林分平均胸徑模擬(SI=18)Tab.5 Simulation of mean BDH of Chinese fir plantation(SI=18)

2) 頁面調(diào)用 與API調(diào)用對應(yīng)，使用頁面調(diào)用福建杉木人工林全林分平均胸徑模型，地位指數(shù)為18，林分密度為2 000株·hm-2，預(yù)估10、15、20、25、30林齡的林分平均胸徑。調(diào)用時，進入如圖11所示福建杉木人工林全林分平均胸徑模型計算交互頁面，在模型計算對話框中輸入地位指數(shù)： 18，密度： 2 000，林齡： 10、15、20、25、30，點擊“調(diào)用計算”按鈕即可得到計算結(jié)果。

4.2 方法庫調(diào)用實例

以福建杉木地位指數(shù)方程擬合為例，使用Richards理論生長方程作為原型，采用代數(shù)差分法構(gòu)建地位指數(shù)方程。

1) API調(diào)用 選擇以a為自由參數(shù)對Richards理論生長方程進行變換得到公式： HT2～HT1*{{[1-exp(-b*T2)]/[1-exp(-b*T1)]}^c}，使用來自福建省兩期固定復(fù)測樣地(212塊)數(shù)據(jù)對以上公式進行擬合，其中，T1為第1期的林齡，HT1為第1期的優(yōu)勢木高，T2為第2期的林齡，HT2為第2期的優(yōu)勢木高。數(shù)據(jù)示例如表6所示。

表6 固定復(fù)測樣地林齡與優(yōu)勢木高數(shù)據(jù)示例Tab.6 Fixed re-test sample forest age and superior wood height data

調(diào)用非線性回歸方法，參數(shù)分別為擬合公式formula=‘HT2～HT1*{{[1-exp(-b*T2)]/[1-exp(-b*T1)]}^c}’；b=0.105 636,c=1.139 241 (初始參數(shù)值)；T1=14,16,18,20,14,…；T2=19,21,23,25,19,…； HT1=3.2,7.6,8.6,7.5,8.1,…； HT2=5.9,5,5,8.5,13.5,…； 不同參數(shù)之間以&符號隔開； 平臺擬合后將結(jié)果返回。具體調(diào)用說明如表7所示。

表7 方法API調(diào)用說明Tab.7 Method API call description

其他非線性擬合方法調(diào)用與表7中的調(diào)用方式類似，用戶可根據(jù)擬合的返回結(jié)果判斷擬合效果，選擇擬合效果好的模型補充到模型表中。

2) 頁面調(diào)用 采用與API調(diào)用同樣的應(yīng)用場景，使用頁面的方式調(diào)用非線性回歸方法。 在方法庫頁面中選擇非線性回歸方法，將數(shù)據(jù)寫入如圖12所示的擬合數(shù)據(jù)文件(文件為Excel類型)，然后點擊“上傳數(shù)據(jù)文件”按鈕，將填寫好的數(shù)據(jù)文件上傳； 在圖13的參數(shù)對話框中分別填寫擬合公式和初始參數(shù)值。平臺進行擬合，擬合結(jié)果返回，如圖13的頁面顯示。

圖12 方法調(diào)用擬合數(shù)據(jù)模板Fig.12 Method call fitting data template

圖13 方法調(diào)用接口說明界面Fig.13 Method call interface description interface

5 結(jié)論

本研究應(yīng)用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫結(jié)合R語言程序封裝方法構(gòu)建了通用性強的模型庫和方法庫，采用數(shù)據(jù)表示法和程序表示法分別表達人工林經(jīng)營中數(shù)學(xué)公式型模型和程序塊型模型，針對數(shù)據(jù)表達的模型，使用詞法分析、語法分析、語義分析等方法實現(xiàn)模型的解析計算，針對程序表達的模型，利用Rsession實現(xiàn)程序模型的調(diào)用計算，同時利用Rsession實現(xiàn)對方法庫中方法的管理和調(diào)用，實現(xiàn)了模型、方法的管理更新與業(yè)務(wù)代碼的分離，降低了模型、方法的管理和使用復(fù)雜度。通過構(gòu)建數(shù)據(jù)交互結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)模型庫與方法庫的API調(diào)用奠定了基礎(chǔ)，使模型庫與方法庫具備了面向用戶的界面使用服務(wù)與程序級調(diào)用服務(wù)功能。